کشف شگفت‌انگیزی که قوانین الکتریسیته را به چالش می‌کشد
به گزارش آناتک، فلزات عجیب نشان می‌دهند که الکتریسیته توسط یک سیال کوانتومی و نه الکترون‌های گسسته حمل می‌شود. این موضوع نظریه طولانی‌مدت مایع فرمی را به چالش می‌کشد و تحقیقات جدیدی در زمینه انتقال الکتریکی و ابررسانایی را به دنبال دارد.
معمولاً آموخته‌ایم که الکتریسیته ناشی از حرکت الکترون‌ها درون یک فلز است. هر الکترون حامل یک بار گسسته و کوانتیده است. با این حال، این تصویر ساده پیچیده‌تر می‌شود، زیرا الکترون‌ها به‌طور طبیعی یکدیگر را دفع می‌کنند. وقتی یک الکترون حرکت می‌کند، می‌تواند ابر الکترون‌های همسایه را تحت تأثیر قرار دهد.
وقتی این اختلالات نسبتاً کوچک باشند، الکترون‌ها دیگر به‌صورت انفرادی حرکت نمی‌کنند بلکه به‌صورت جمعی عمل می‌کنند و گروه‌هایی به نام ذرات شبه‌الکترون تشکیل می‌دهند. با وجود این گروه‌بندی، جریان الکتریکی همچنان توسط بار‌های گسسته حمل می‌شود. با این حال، این بار‌ها دیگر الکترون‌های «آزاد» و منزوی نیستند بلکه نمودی از حرکت جمعی الکترون‌ها هستند. این رفتار توسط نظریه مایع فرمی توصیف می‌شود که بیش از شصت سال است به‌عنوان چارچوب استاندارد برای درک فلزات مورد استفاده قرار می‌گیرد.
جالب اینکه، بسیاری از مواد جدید کشف‌شده که به فلزات عجیب معروف هستند، از این مدل سنتی پیروی نمی‌کنند. در این مواد، هدایت الکتریکی توسط بار‌های شبیه به الکترون حمل نمی‌شود. با استفاده از تکنیکی به نام اندازه‌گیری نویز ضربه‌ای (shot noise)، محققان مشاهده کرده‌اند که الکترون‌ها در فلزات عجیب به یک سیال کوانتومی پیوسته و بدون ویژگی خاص تبدیل می‌شوند.
به گزارش scitechdaily، این موضوع سؤالی عمیق را مطرح می‌کند که اگر الکترون‌های انفرادی جریان را حمل نمی‌کنند، پس چه چیزی حمل می‌کند؟ نظریه مایع فرمی یکی از دستاورد‌های اصلی فیزیک ماده چگال به‌شمار می‌آید که شاخه‌ای از فیزیک است که به مطالعه مواد جامد اختصاص دارد. کشف فلزات عجیب یکی از اصول اساسی درک ما را به چالش می‌کشد. توسعه نظریه‌ای جدید برای توضیح انتقال الکتریکی در این مواد غیرمعمول می‌تواند به بینش‌های تحول‌آفرینی در فیزیک و علم مواد منجر شود.
ارتباط با ابررسانایی دمای بالا
به عنوان مثال، درک انحراف از رفتار مایع فرمی ممکن است به کشف مکانیزم‌های پنهان ابررسانا‌های دمای بالا منجر شود. این مواد در حالت عادی و غیرابررسانا، رفتاری شبیه به فلزات عجیب از خود نشان می‌دهند.
فلزات عجیب درک سنتی ما از انتقال الکتریکی از طریق بار‌های گسسته را به چالش می‌کشند. در این مواد، مقاومت به صورت خطی در دما‌های پایین تغییر می‌کند. در مقابل، در فلزات معمولی، تغییر مقاومت دارای رفتاری درجه دو است.
برای تعیین اینکه آیا الکتریسیته به صورت بخش‌های گسسته منتقل می‌شود، محققان از تکنیکی به نام "اندازه‌گیری نویز ضربه‌ای" (shot noise) استفاده کردند. نویز ضربه‌ای نوسانات تصادفی در یک جریان مستقیم الکتریکی را اندازه‌گیری می‌کند. این نوسانات تصادفی به دلیل جریان بودن بار‌های گسسته رخ می‌دهد، زیرا ورود هر بار از نظر آماری متغیر است. این شبیه به این است که تعداد کمی قطره باران بزرگ به سقف برخورد کنند.
همه این قطرات به طور همزمان به سقف برخورد نمی‌کنند بلکه ورود آنها پراکنده است. در این حالت، نویز ضربه‌ای بالا است. در نقطه مقابل، اگر باران به شدت سنگین باشد، دیگر قطره‌ای وجود ندارد – جریان باران پیوسته و بدون ویژگی خاص می‌شود. در این حالت، نویز ضربه‌ای صفر است. این دقیقاً چیزی است که در فلزات عجیب اتفاق می‌افتد!
غلبه بر چالش‌های تجربی
اندازه‌گیری نویز ضربه‌ای بدون تأثیرات خارجی کار آسانی نیست. در یک فلز، ارتعاشات شبکه اتمی می‌توانند الکترون‌ها را تحت تأثیر قرار دهند و نویز ضربه‌ای را مبهم کنند. محققان مجبور بودند سیم‌هایی در مقیاس نانو تولید کنند که آنقدر کوچک بودند که الکترون‌ها قبل از اینکه اثر ارتعاشات شبکه را احساس کنند، از آنها عبور کنند.
این آزمایش‌ها شواهد قوی ارائه کردند که در فلز عجیب YbRh۲Si۲، ذرات شبه‌الکترونی وجود ندارند و جریان توسط بخش‌های گسسته حمل نمی‌شود. این حالت شبیه این است که الکترون‌ها هویت خود را از دست داده و در یک سوپ کوانتومی ادغام شوند. ادعای عدم وجود ذرات شبه‌الکترونی ادعای بسیار قوی است و همه فیزیکدانان هنوز آماده پذیرش آن نیستند. این نتایج موجی از تحقیقات پرچشم‌انداز را به راه خواهند انداخت و به توسعه نظریه‌های جدید درباره فلزات عجیب کمک خواهند کرد.
انتهای پیام/
